Desenvolvimento de ferramentas computacionais para ensino em modelagem de reações de polimerização

Abstract

Este trabalho tem como escopo o desenvolvimento de modelos matemáticos representativos da cinética de reações de polimerização com o intuito de utilizá-los em sala de aula como ferramentas de apoio para o ensino de modelagem de polimerização. Os modelos propostos têm como objetivo representar a cinética de diferentes reações de polimerização, visando descrever os balanços materiais dos componentes presentes, as taxas das etapas de reação envolvidas e as massas molares médias dos produtos obtidos. Nos modelos apresentados foi utilizado o método dos momentos para solucionar o equacionamento cinético das reações, a fim de reduzir a complexidade matemática e o esforço computacional. As constantes cinéticas e demais parâmetros de reação foram obtidos na literatura, e os modelos foram validados com conjuntos de dados obtidos em outros estudos. Os modelos desenvolvidos mostraram-se capazes de representar os padrões preditos pela teoria estatística clássica de Flory, demonstrando a adequação da implementação realizada no simulador de processos EMSO. Adicionalmente, a implementação da versão matricial dos modelos, cuja adequação também foi confirmada, tem potencial como ferramenta para auxiliar e fomentar o aprendizado do método dos momentos em sala de aula, pois permite a análise dos diferentes mecanismos abordados usando um mesmo código base, de maneira que o aluno não precise programar o modelo completo, mas somente inserir a matriz dos coeficientes específica para os mecanismos em estudo.

This work aims to develop mathematical models that can represent polymerization reactions kinetics with the purpose of using in classroom as support tools for teaching polymerization modeling. The proposed models intent to represent the kinetics of different reactions of polymerization, seeking to describe the material balance of components, reaction rates of the steps involved and avarege molecular weight of the products obtained. In the models presented, the moments method was used to solve the reactions kinetic equations in order to reduce the mathematical complexity and the computational effort. The kinetic constants and other reaction parameters were obtained in the literature, and the models were validated with other data sets, obtained in other studies. The developed models were able to represent the behavior predicted by Flory's classical statistical theory proving the adequacy of the implementation carried out in EMSO process simulator. In addition, the models matrix version, whose suitability has also been confirmed, proved to be a potential tool to assist and improve the learning of method of moments in classroom, because it allows the analysis of different mechanisms using the same base code, so that the student does not need to program the complete model, but only insert the matrix of the coefficients specific of the studied mechanisms.